半潜式基础漂浮式风机拖带技术研究

李远扬 中国铁建港航局集团有限公司

1.引言

受风能资源、养殖、军事影响，海床条件等约束，固定式基础海上风电发展潜力有限，必须利用漂浮式海上风电开发深远海资源。有数据显示，全球80%的海上风能资源潜力都蕴藏在水深超过60m的海域。据全球风能理事会（GWEC）预测，虽然在2020年左右，固定式基础海上风电的增长最为显著，但从2030年起，漂浮式海上风电将快速发展。预测显示，到2030年全球漂浮式海上风电装机容量可达16.5GW，其中仅有7.1%或1.2GW在2025年以前完成建设，其他的大部分装机将在2026年以后投运。目前，漂浮式海上风电在全球风电总装机容量中的占比仅为0.1%，但在未来10年间会发挥越来越重要的作用，到2030年将占全球新增风电装机总量的6.1%[1]。

在“碳达峰、碳中和”的背景下，我国海上风电发展取得了快速的发展，仅2021年海上风电并网容量达到1690万千瓦，已经发展成为全球最大的海上风电市场。我国主要沿海省份公布的“十四五”海上风电发展规划，都将发展深远海海上风电作为重要的发展目标，可以预测，漂浮式风机也将在我国迎来快速发展的新阶段。

2.漂浮式风机基础形式介绍

漂浮式风机已经成为全球各大风机制造厂家的重点研究方向，无论是国内的明阳智能、中国海装等整机企业，还是国际主流的西门子歌美飒、通用电气等整机制造商，都相继发布了漂浮式海上风机。不同的地质、海况、气象条件都会影响漂浮式基础的选择，按照其静稳性原理大体可将目前已经研制的漂浮式风机分为立柱式、半潜式、张力腿式、驳船式四种类型，并分别具有不同的特点，其中半潜式基础具有适用水深范围较广，可采用湿拖法运输，部署灵活，技术成熟的特点[2]。

我国大陆架变化缓慢，适用于40～60m的漂浮式风机更适合于我国发展现状。我国首台漂浮式风电机组是2021年12月7日在三峡阳江沙扒海上风电场投运的“三峡引领号”，它是全球首台抗台风型漂浮式海上风电机组，采用半潜式基础，搭载单机容量为5.5MW的明阳智能抗台风漂浮式机组。2022年5月，适用于60m水深的6.2MW中国海装“扶摇号”在广东湛江海域进行示范应用，该风机同样采用半潜式基础。半潜式基础将成为我国近期相当一段时间内主流的漂浮式风机基础形式。

3.半潜式基础漂浮式风机拖带技术研究

半潜式漂浮式风机主要施工流程包括基础和风机组件的组装-整体拖带至机位-锚泊及系缆。由于基础和风电机组组装之后整体高度较高，安全地整体拖带至机位将成为施工的重中之重。虽然不同单机容量的漂浮式风机尺寸、重量不尽相同，但拖带浮运计算原理一致，拖带过程中面临的主要风险基本相同。以下以典型半潜式基础漂浮式风机为例，对拖带方案及拖带安全措施进行研究，以供相关技术研发和工程项目借鉴。

3.1 半潜式漂浮式风机基本参数

漂浮式风机采用半潜式基础，基础整体为一个等腰三角形，由三个立柱、垂荡板、下浮体和上部方形横撑组成，详见图1。半潜式基础采用圆筒状，呈三角形布置，长度72m，宽度80m，高度32m，单个圆筒直径约为9m。浮体和机组总重量超过4000t，设计吃水17m，排水量超过15000t。机组塔筒高度为78m，轮毂中心高度96m，风轮直径152m，叶片长度74m。

图1 半潜式漂浮式风机模型图

3.2 浮运阻力计算

考虑到漂浮式风机无操纵性能，从船队航行操纵安全角度分析建议将拖带速度控制在6kn以下，即航速为3.09m/s。按照《海上拖航指南》(2011)中附录2关于海上拖船阻力的估算方法，海上被拖航物体所受阻力RT的估算公式可表示为：

式(1)中：RF为被拖物拖航摩擦阻力；RB为被拖物拖航剩余阻力。注：拖船的拖航阻力在计算拖船拖力时予以考虑。

在计算RF、RB时，参照英国OPL出版社出版的油田海船第四卷《Towing》推荐的拖航摩擦阻力更能客观的反应被拖物水下湿表面的客观情况[3]。

1)《Towing》推荐的被拖物拖航摩擦阻力RF的计算公式为：

式(2)中：F1为被拖物的污底系数，新制钢浮筒可取F1=0.4；A1为被拖物的水下湿表面积，A1=4973m2；v为拖航速度。由此可得，RF=63kN。

2)《Towing》推荐的拖航剩余阻力的估算公式为：

式(3)中：F2为被拖物的艄部形状系数，圆端型围堰艄部形状系数取0.5；A2为浸水横断面面积，A2=311m2。由此可得：RF=1280kN。

结合式（1），计算得出此半潜式漂浮式风机所受阻力RT=1544kN。

根据《海上拖航指南》，对于受风面积特别庞大的钻井平台或其他水上建筑，其拖航阻力尚应按下式(4)估算，与上式（1）计算的结果比较，取其大值作为漂浮式风机拖带所需拖力值。

式中ρ为空气密度，取1.22kg/m3；V为风速，暂按6级风速考虑，并考虑航速影响，按照顶风向托带考虑，取值16.89m/s；Ai为受风面积m2，按顶风估算；CS为受风面积Ai的形状系数，根据规范要求取值。半潜式基础受风面积按表中圆柱形考虑，受风面积591m2，取形状系数1.0；塔筒及风电机组按孤立结构形状考虑，受风面积1400m2，取系数为1.5。由此计算RA=937kN；根据式（2）和式（3），RF、RF分别为63kN和1280kN，根据式（4），在考虑风阻的情况下，RT为1878kN。

综上所述，此漂浮式风机拖航阻力RT为1878kN。

3.3 拖船编队方案

拖带船组配置1艘10000HP拖船主拖，3艘6000HP拖船辅拖，以及一艘6000HP拖船警戒及备用，共5艘拖船组成拖航编队。

1#拖船作为主拖船，正前方吊拖，采用10000HP拖轮；2#拖船左前编队吊拖，采用6000HP拖轮；3#拖船右前编队吊拖，采用6000HP拖轮；4#拖船后部编队，辅助控制风机航行轨迹和航速，采用6000HP拖轮；另安排一艘6000HP拖船警戒、备用。整体拖带宽度为140m，长度为310m，拖带示意图见图2。经海事部门确认后进行编队拖带，在现场海巡艇和护航艇的维护下进入规定航道，进行漂浮式风机浮运拖带。

图2 半潜式漂浮式风机拖带示意图

3.3.1 拖船拖带力计算

根据海上拖航经验，受拖缆较短、被拖物受到拖船船艉排出流的影响，以及拖船船组转向、变速，被拖船发生偏荡等原因，拖船拖力作用在被拖物上效率为70%左右。6000HP拖船的有效输出拖力约为800kN，10000HP拖船有效输出拖力约为1400kN。3m/s对水速度下2#拖船、3#拖船的阻力为45k N，1#拖船的阻力为85 k N。拖航总阻力R=1.15×（45+45+85）+RT=2079.25kN。3艘拖船的有效输出拖力为（800+800+1400）×0.7=2100 kN >RT。满足拖带要求。

3.3.2 缆绳计算

缆绳采用直径为80mm、抗拉强度R0=1870MPa的钢芯钢丝绳，单根钢丝绳最小破断拉力：

式中K’为最小破断拉力系数，取值0.382；D为钢丝绳直径mm，取值80mm；R0为钢丝绳公称抗拉强度，MPa，取值1870MPa。根据式（6）计算F0为4572kN，安全系数为3.26。满足要求。

3.4 拖带安全管控措施

漂浮式风机拖带涉及风机整体的强度、刚度和稳定性，不仅包括基础还包括塔筒、叶片及电器组件。不同风机的强度、刚度和稳定性的标准不同，目前并无一个统一的标准对拖带的风况、海况做出明确要求，在具体拖带作业中要按照风机厂家的安装技术手册执行。在此，不考虑漂浮式风机自身的安全性问题，仅针对拖航过程中的常见风险制定相应保障措施，供参考。

3.4.1 通航安全保障措施

拖带前制定完整的航行方案，提前向当地海事主管部门申请发布航行通告，以提醒其他船舶注意避让。针对漂浮式风机拖带，在制定通航安全保障方案时，需重点注意以下几点：

①须充分分析拖航航道海况和气象条件，计算海区潮汐时间，观察流向，分析潮流对拖航影响，分析气象变化趋势，确定是否适宜拖航。

②拖带船组与漂浮式风机平台应按照《国际海上避碰规则》显示“操纵能力受限制”、“拖带”的号灯、号型，并在AIS上详细设定主要航行信息，以便航经的其他船舶尽早判断本拖带船组动态。

③选择气象条件良好、水流平稳时段实施拖带；选择白天时间通过交汇水域。

④警戒船应加强警戒，见有前方或侧向有来船时应主动沟通，请它船避让。

3.4.2 偏转、横拖问题及控制措施

拖带过程中，主拖的拖力将会造成平台产生三种运动，即偏转、横移、纵向运动[4]。当发生大风浪时，被拖风机平台较大概率会发生偏转、横移情况。在这种情况下，往往会导致拖缆不均匀受力。在紧绷的瞬间，其张力超出拖缆能够承担的负荷，容易发生断缆的情况。

对于偏荡问题，主要是要求拖船进行合理的拖力控制，科学的调整主拖及两个辅拖的拖缆长度。若是所遇为正横风或是贴近正横风的情况，就要及时调整航向，降低航速，加强尾部拖船缆绳拉力，加强对风机平台航迹控制。

4.结语

在全球碳中和背景下，海上风电发展需求确定性上升。随着近海资源逐步开发，并受制于养殖、航道、军事等因素的影响，漂浮式海上风机将成为主要的发展方向，具有广阔的应用前景。本文综述了目前漂浮式风机的主要基础形式，对半潜式基础漂浮式风机的拖带计算进行分析，制定了拖带船组方案，并对拖带的主要风险提出了保障措施，对未来漂浮式风机拖带作业具有指导意义和参考价值。